JP2019213043A - 車載用ゲートウェイ装置、方法及びプログラム - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態に係るゲートウェイ100の構成の一例を示す図である。ゲートウェイ100は、複数のネットワークに接続され、異なるネットワーク間でメッセージを中継する車載用ゲートウェイ装置である。図1に示すように、ゲートウェイ100は、ネットワークインタフェース110、N個の第1の記憶部120(キュー#1〜#N)、1つ以上の第2の記憶部130(キュー#N+1〜#M)、第3の記憶部140及び制御部150を含む。
ネットワークインタフェース110は、ゲートウェイ100と他の装置との通信を仲介するインタフェースである。ネットワークインタフェース110は、CAN(Controller Area Network)又はCAN−FD(CAN with Flexible Data rate)等の任意の車載ネットワークに接続される。ネットワークインタフェース110は、複数のチャネルを有し、各々のチャネルは互いに異なるネットワークに接続される。図1に示した例では、ネットワークインタフェース110は、チャネル#1〜#NのN個のチャネルを有する。なお、図1において「#」の後に付された数字は、インデックスである。即ち、ゲートウェイ100は、N個のネットワークに接続される。なお、Nは2以上の整数である。
N個の第1の記憶部120は、N個のネットワークの各々から受信したメッセージのうちルーティング処理待ちのメッセージを記憶する。ルーティング処理とは、受信したメッセージをルーティングテーブルに照合して送信先のネットワーク(即ち、チャネル)を決定する処理である。ルーティング処理は、メッセージのヘッダ及びペイロードに基づくセキュリティ関連のフィルタリング等の様々な処理をさらに含み得る。第1の記憶部120は、例えばキューとして実装され得る。第1の記憶部120を、以下ではルーティング処理待ちキュー120とも称する。図1では、キュー#1〜#Nが、ルーティング処理待ちキュー120に相当する。
1つ以上の第2の記憶部130は、ルーティング処理後であって送信処理待ちのメッセージを示す情報を記憶する。送信処理とは、ルーティング処理後のメッセージを、決定された送信先のネットワークにメッセージを送信する処理を含む。第2の記憶部130は、例えばキューとして実装され得る。第2の記憶部130を、以下では送信処理待ちキュー130とも称する。図1では、キュー#N+1〜#Mが、ルーティング処理待ちキュー120に相当する。なお、M≧N+1である。
第3の記憶部140は、ルーティング処理後であって送信処理待ちのメッセージを記憶する。第3の記憶部140は、メッセージを記憶するための任意のデータ構造により実現される。第3の記憶部140は、MPFO(Most Priority First Out)リスト141又はFIFO(First In First Out)リスト142の少なくともいずれかを含む。図1に示した例では、第3の記憶部140は、MPFOリスト141及びFIFOリスト142の双方を含む。MPFOリストとは、記憶されたメッセージのうち優先度が最も高いメッセージから順に取り出されるデータ構造である。FIFOリストとは、先に記憶されたメッセージから順に取り出されるデータ構造である。例えば、CANの制御メッセージは、MPFOリスト141に記憶されて優先度順に送信される。一方で、CANの診断メッセージは、FIFOリスト142に記憶されて先着順に送信される。
制御部150は、演算処理装置及び制御装置として機能し、各種プログラムに従ってゲートウェイ100の動作全般を制御する。制御部150は、CPU、マイクロプロセッサ、電気回路、DSP及び/又はASICにより実現される。
本実施形態では、優先順位付け処理にラウンドロビン方式が採用される。詳しくは、ゲートウェイ100は、ルーティング処理待ちキュー120及び送信処理待ちキュー130からラウンドロビン戦略により選択したキューに対応するメッセージを、処理対象として選択する。キューがラウンドロビン方式で順番に選択されて、計算リソースが割り当てられるので、ルーティング処理及び送信処理に公平に計算リソースが割り当てられることとなる。これにより、到来したメッセージの損失回避と送信機会の確保とを両立することが可能となる。
以下、本実施形態に係るゲートウェイ100により実行される各種処理について詳細に説明する。本実施形態に係るゲートウェイ100の構成は、図1を参照して上記説明した通りである。以下では、N=6とし、M=8として説明する。この場合、ルーティング処理及び送信処理に使用可能な計算リソースの25%((M−N)/M)が送信処理のために割り当てられ、残りの75%(N/M))がルーティング処理に割り当てられる。
受信処理とは、受信バッファ111に記憶されたメッセージをルーティング処理待ちキュー120に移動させる処理である。なお、メッセージの移動とは、移動先へのメッセージのコピー及び移動元からのメッセージの削除を含む概念である。制御部150は、受信処理に、優先順位付け処理、ルーティング処理及び送信処理に優先して計算リソースを割り当てる。これにより、到来したメッセージの損失を極力回避することが可能となる。
優先順位付け処理とは、処理対象のキューを選択することである。詳しくは、制御部150は、ルーティング処理待ちキュー120及び送信処理待ちキュー130からひとつのキューを処理対象のキューとして選択する。優先順位付け処理において選択されたキューに対応する処理が、その後行われる。即ち、選択されたキューがルーティング処理待ちキュー120であれば、ルーティング処理が行われ、選択されたキューが送信処理待ちキュー130であれば、送信処理が行われる。
制御部150は、優先順位付け処理により選択された処理対象のキューに対応するメッセージを処理対象のメッセージとして選択する。詳しくは、制御部150は、優先順位付け処理により選択された処理対象のキューがルーティング処理待ちキュー120である場合、選択されたルーティング処理待ちキュー120の先頭の(即ち、最も先に記憶された)メッセージを、処理対象のメッセージとして選択する。そして、制御部150は、処理対象のメッセージのルーティング処理に計算リソースを割り当てる。
制御部150は、優先順位付け処理により選択された処理対象のキューに対応するメッセージを処理対象のメッセージとして選択する。詳しくは、制御部150は、優先順位付け処理により選択された処理対象のキューが送信処理待ちキュー130である場合、選択された送信処理待ちキュー130に対応するメッセージを、処理対象のメッセージとして選択する。そして、制御部150は、処理対象のメッセージの送信処理に計算リソースを割り当てる。
優先順位付け処理、ルーティング処理及び送信処理は、割り込みとして又はタスクとして実行され得るが、低遅延の実現のためには、割り込みとして実行されることが望ましい。タスクよりも割り込みの方が優先して実行されるためである。ただし、受信処理の割り込みの方が、優先順位付け処理、ルーティング処理及び送信処理のための割り込み及びタスクよりも、優先して実行される。
(1)受信処理の流れ
図5は、本実施形態に係るゲートウェイ100において実行される受信処理の流れの一例を示すフローチャートである。図5に示すように、まず、チャネル#Xにメッセージが到来すると、制御部150は、到来したメッセージを到来したチャネル#Xに対応する受信バッファ111#Xにバッファする(ステップS102)。次いで、制御部150は、受信バッファ111#Xにバッファされたメッセージを、チャネル#Xに対応するルーティング処理待ちキュー120(キュー#X)に移動させる(ステップS104)。そして、制御部150は、優先順位付け処理、ルーティング処理又は送信処理をトリガする(ステップS106)。
図6は、本実施形態に係るゲートウェイ100において実行される優先順位付け処理、ルーティング処理及び送信処理の流れの一例を示すフローチャートである。図6に示すように、まず、優先順位付け処理、ルーティング処理及び送信処理が受信処理によりトリガされると(ステップS202)、制御部150は、ルーティング処理待ちキュー120及び送信処理待ちキュー130のうち、前回選択したキューの次の空でないキューを選択する(ステップS204)。選択されるキューのインデックスをXとする。次いで、制御部150は、選択されたキュー#Xはルーティング処理待ちキュー120又は送信処理待ちキュー130のいずれであるかを判定する(ステップS206)。選択されたキュー#Xがルーティング処理待ちキュー120である場合、処理はステップS208に進む。一方で、選択されたキュー#Xが送信処理待ちキュー130である場合、処理はステップS226に進む。なお、これらの処理は、優先順位付け処理に相当する。
<3.1.概要>
第1の実施形態では、空でないキューがラウンドロビン方式で順番に選択されて、計算リソースが割り当てられていた。このような割り当て方式は、2つの理由で完全に公平であるとは言い難い。
FX[i]=Max(FX[i−1],AX[i])+PX[i] …(1)
Tvir=Tvirold+(Tnow−Told)/Q …(3)
FX[i]=Max(FX[i−1],Tvir)+PX[i] …(4)
以下、本実施形態に係るゲートウェイ100により実行される各種処理について詳細に説明する。本実施形態に係るゲートウェイ100の構成は、図1を参照して上記説明した通りである。以下では、N=6とし、M=7として説明する。この場合、ルーティング処理及び送信処理に使用可能な計算リソースの約14%((M−N)/M)が送信処理のために割り当てられ、残りの約86%(N/M))がルーティング処理に割り当てられる。
ネットワークからメッセージが到来してネットワークインタフェース110の受信バッファ111に記憶されると、割り込みがトリガされる。割り込みは、受信したメッセージを、メッセージが到来したチャネルに対応するルーティング処理待ちキュー120の最後尾に移動させる。その際、まず、制御部150は、上記数式(3)に基づいて仮想時刻Tvirを計算する。
Tvirold=Tvir, Told=Tnow …(6)
優先順位付け処理とは、処理対象のキューを選択することである。詳しくは、制御部150は、ルーティング処理待ちキュー120及び送信処理待ちキュー130からひとつのキューを処理対象のキューとして選択する。本実施形態では、各キューの先頭のメッセージのうち終了時刻FX[i]が最も早いメッセージを記憶したキューを、処理対象のキューとして選択する。
優先順位付け処理の後、選択されたキューに対応する処理が実行される。ここで実行されるルーティング処理及び送信処理は、第1の実施形態におけるこれらの処理と同様である。以下、相違点について説明する。
ルーティング処理後、メッセージは、送信処理待ちキュー130に記憶される。その際、制御部150は、上記数式(3)に基づいて仮想時刻Tvirを計算し、上記数式(6)に基づいてTvir及びTnowをTvirold及びToldに上書きする。また、制御部150は、上記数式(4)又は(5)に基づいて終了予定時刻FX[i]を計算して、メッセージに対応付けて送信処理待ちキュー130に記憶する。
送信処理待ちキュー130は、送信されるメッセージへのポインタを記憶し得る。その場合、送信処理待ちキュー130が優先順位付け処理において選択されることは、MPFOリスト141又はFIFOリスト142の少なくともいずれかが空ではないことを意味する。他方、メッセージが送信されると、送信処理待ちキュー130からメッセージが削除されて、送信処理待ちキュー130が空になり得る。送信処理待ちキュー130が空となった場合、アクティブなキューの数Qは減少する。その場合、制御部150は、上記数式(3)に基づいて仮想時刻Tvirを計算し、上記数式(6)に基づいてTvir及びTnowをTvirold及びToldに上書きする。
優先順位付け処理、ルーティング処理及び送信処理は、割り込みとして又はタスクとして実行され得るが、低遅延の実現のためには、割り込みとして実行されることが望ましい。タスクよりも割り込みの方が優先して実行されるためである。ただし、受信処理の割り込みの方が、優先順位付け処理、ルーティング処理及び送信処理のための割り込み及びタスクよりも、優先して実行される。
(1)受信処理の流れ
図10は、本実施形態に係るゲートウェイ100において実行される受信処理の流れの一例を示すフローチャートである。図10に示すように、まず、チャネル#Xにメッセージが到来すると、制御部150は、到来したメッセージを到来したチャネル#Xに対応する受信バッファ111#Xにバッファする(ステップS302)。次に、制御部150は、Tvir=Tvirold+(Tnow−Told)/Qにより仮想時刻Tvirを計算する(ステップS304)。次いで、制御部150は、受信バッファ111#Xにバッファされたメッセージを、チャネル#Xに対応するルーティング処理待ちキュー120(キュー#X)に移動させる(ステップS306)。
図11A及び図11Bは、本実施形態に係るゲートウェイ100において実行される優先順位付け処理、ルーティング処理及び送信処理の流れの一例を示すフローチャートである。図11Aに示すように、まず、優先順位付け処理、ルーティング処理及び送信処理が受信処理によりトリガされると(ステップS402)、制御部150は、ルーティング処理待ちキュー120及び送信処理待ちキュー130の先頭のメッセージの終了予定時刻FX[i]が最も早いキューを選択する(ステップS404)。選択されるキューのインデックスをXとする。次いで、制御部150は、選択されたキュー#Xはルーティング処理待ちキュー120又は送信処理待ちキュー130のいずれであるかを判定する(ステップS406)。選択されたキュー#Xがルーティング処理待ちキュー120である場合、処理はステップS408に進む。一方で、選択されたキュー#Xが送信処理待ちキュー130である場合、処理はステップS432に進む。なお、これらの処理は、優先順位付け処理に相当する。
以下、上述したゲートウェイ100と、典型的なゲートウェイとを比較する。
図12は、比較例に係るゲートウェイ200の構成の一例を示す図である。図12に示すように、比較例に係るゲートウェイ200は、6チャネルのネットワークインタフェース210、及びMPFOリスト241及びFIFOリスト242を含む。ゲートウェイ200は、ゲートウェイ100と異なり、受信バッファ、送信バッファ、及びキューを含まない。メッセージが到来すると、ゲートウェイ200は、メッセージのルーティング処理を行い、メッセージに対応するデータ構造にメッセージを記憶する。次いで、ゲートウェイ200は、記憶したメッセージの送信処理を行う。図12に示した例では、チャネル#1にメッセージ10が到来すると、ゲートウェイ200は、メッセージ10のルーティング処理を行い、MPFOリスト241にメッセージを記憶する。そして、ゲートウェイ200は、MPFOリスト241に記憶されたメッセージをチャネル#6から送信する。
本発明の一実施形態(第1又は第2の実施形態)に係るゲートウェイ100は、チャネル数Nよりも多いM個のキューを有し、M個のキューの各々に記憶されたメッセージから所定の優先順位付けアルゴリズムに従って選択したメッセージに、計算リソースを割り当てる。これにより、メッセージの損失を回避するための条件が緩和される。メッセージの損失を回避するための条件は、x[μs]で受信したメッセージをx/M[μs]以内に処理すること、である。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
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[2]John Nagle: "On packet switches with infinite storage," RFC 970, IETF, December 1985.
[3]Albert Greenberg, Neal Madras: “How fair is fair queuing?”, Journal of the ACM, Volume 39 Issue 3, July 1992, pp. 568-598.
110 ネットワークインタフェース
111 第4の記憶部、受信バッファ
112 第5の記憶部、送信バッファ
120 第1の記憶部、ルーティング処理待ちキュー
130 第2の記憶部、送信処理待ちキュー
140 第3の記憶部
141 MPFOリスト
142 FIFOリスト
150 制御部
200 比較例係るゲートウェイ
Claims (13)
- N個のネットワークに接続され、異なるネットワーク間でメッセージを中継する車載用ゲートウェイ装置(100)であって、
N個の前記ネットワークの各々から受信したメッセージのうちルーティング処理待ちのメッセージを記憶するN個の第1の記憶部(120)と、
前記ルーティング処理後であって送信処理待ちのメッセージを示す情報を記憶する1つ以上の第2の記憶部(130)と、
前記ルーティング処理待ちのメッセージ及び前記送信処理待ちのメッセージの中から1つのメッセージを処理対象として選択し、前記処理対象のメッセージの前記ルーティング処理又は前記送信処理に計算リソースを割り当てる制御部(150)と、
を備える車載用ゲートウェイ装置(100)。 - 前記制御部(150)は、前記第1の記憶部(120)及び前記第2の記憶部(130)から1つの記憶部(120又は130)を選択し、選択された記憶部(120又は130)に対応するメッセージを前記処理対象として選択する、請求項1に記載の車載用ゲートウェイ装置(100)。
- 前記制御部(150)は、空でない前記第1の記憶部(120)及び前記第2の記憶部(130)からラウンドロビン方式で1つの前記記憶部(120又は130)を選択する、請求項2に記載の車載用ゲートウェイ装置(100)。
- 前記制御部は、前記ルーティング処理待ちのメッセージ及び前記送信処理待ちのメッセージの各々の処理の終了予定時刻を計算し、前記終了予定時刻が最も早いメッセージを前記処理対象として選択する、請求項2に記載の車載用ゲートウェイ装置(100)。
- 前記制御部は、計算対象のメッセージと同一の前記記憶部(120又は130)に記憶されるメッセージであって前記計算対象のメッセージの前に処理されるメッセージの前記終了予定時刻又は前記計算対象のメッセージが前記記憶部(120又は130)に記憶された時刻のうち遅い方に、前記計算対象のメッセージの処理時間を加算することで、前記計算対象のメッセージの前記終了予定時刻を計算する、請求項4に記載の車載用ゲートウェイ装置(100)。
- 前記制御部は、計算対象のメッセージと同一の記憶部(120又は130)に記憶されるメッセージであって前記計算対象のメッセージより先に処理されるメッセージの前記終了予定時刻又は仮想時刻のうち遅い方に、前記計算対象のメッセージの処理時間を加算することで、前記計算対象のメッセージの前記終了予定時刻を計算し、
前記仮想時刻は、現在の実時刻と前記仮想時刻の前回更新時の実時刻との差を、前記第1の記憶部(120)及び前記第2の記憶部(130)のうち空でない記憶部(120又は130)の数で割った値を、前回更新時の前記仮想時刻に加算することで更新される、請求項4に記載の車載用ゲートウェイ装置(100)。 - 前記処理時間は、前記計算対象のメッセージのサイズに依存する、請求項5又は6に記載の車載用ゲートウェイ装置(100)。
- 前記処理時間は、前記計算対象のメッセージに適用される処理の種類に依存する、請求項5〜7のいずれか一項に記載の車載用ゲートウェイ装置(100)。
- 前記車載用ゲートウェイ装置(100)は、前記送信処理待ちのメッセージを記憶する第3の記憶部(140)をさらに備え、
前記第2の記憶部(130)は、前記第3の記憶部(140)に記憶された前記送信処理待ちのメッセージへのポインタを記憶する、請求項1〜8のいずれか一項に記載の車載用ゲートウェイ装置(100)。 - 前記第3の記憶部(140)は、MPFOリスト(141)又はFIFOリスト(142)の少なくともいずれかを含む、請求項9に記載の車載用ゲートウェイ装置(100)。
- N個の前記ネットワークの各々から受信したメッセージを記憶するN個の第4の記憶部(111)をさらに備え、
前記制御部は、前記第4の記憶部(111)に記憶されたメッセージを前記第1の記憶部(120)に移動させる処理に、前記ルーティング処理及び前記送信処理に優先して前記計算リソースを割り当てる、請求項1〜10のいずれか一項に記載の車載用ゲートウェイ装置(100)。 - N個のネットワークに接続され、異なるネットワーク間でメッセージを中継する車載用ゲートウェイ装置(100)により実行される方法であって、
N個の前記ネットワークの各々から受信したメッセージのうちルーティング処理待ちのメッセージをN個の第1の記憶部(120)に記憶するステップ(S104又はS306)と、
前記ルーティング処理後であって送信処理待ちのメッセージを示す情報を1つ以上の第2の記憶部(130)に記憶するステップ(S212、S214、S412、又はS414)と、
前記ルーティング処理待ちのメッセージ及び前記送信処理待ちのメッセージの中から1つのメッセージを処理対象として選択し、前記処理対象のメッセージの前記ルーティング処理又は前記送信処理に計算リソースを割り当てるステップ(S208、S218、S222、S408、S434又はS436、及びS212、S214、S224、S412、S414、又はS438)と、
を含む方法。 - N個のネットワークに接続され、異なるネットワーク間でメッセージを中継する車載用ゲートウェイ装置(100)を制御するコンピュータに、
N個の前記ネットワークの各々から受信したメッセージのうちルーティング処理待ちのメッセージをN個の第1の記憶部(120)に記憶するステップ(S104又はS306)と、
前記ルーティング処理後であって送信処理待ちのメッセージを示す情報を1つ以上の第2の記憶部(130)に記憶するステップ(S212、S214、S412、又はS414)と、
前記ルーティング処理待ちのメッセージ及び前記送信処理待ちのメッセージの中から1つのメッセージを処理対象として選択し、前記処理対象のメッセージの前記ルーティング処理又は前記送信処理に計算リソースを割り当てるステップ(S208、S218、S222、S408、S434又はS436、及びS212、S214、S224、S412、S414、又はS438)と、
を実行させるためのプログラム。
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